2021年第$期(总第375期)
Number 1 in 2021(Total No.375)
混 凝 土
Concrete
doi ：10.3969/j.issn.1002-3550.2021.01.029
杨钱荣！，赵宗志！，李晶"，肖建庄#，刘巧玲!
(同济大学a •材料科学与工程学院；b •机械与能源工程学院；c.土木工程学院7上海200092)
摘要：3D 打印建筑砂浆的打印性能受其流变性能的影响7基于自制的3D 打印设备和提出的3D 打印建筑砂浆挤出性能与打印
性能的 7 3D 打印建筑 的流变性能、打印性能以及 的 果进行汇总分析7果明：具有良好打印
性能的3D 打印建筑 具有 宜的流 性能以及 的 ；可 出性是实现3D 打印
过程的前提7随着打印
征服者1453
出性能的增加7打印 度有降低的趋势；可打印 的流变性能处 一定的 7
：表观黏度4.037.0 Pa-s 之、无人直升机
屈服应力在50〜80 Pa 之间7触变性在900〜2 000 Pa/s 之间。
关键词：3D 打印建筑 ；打印性能；流变性能；I
中图分类号：TU528.01 文献标志码：A
文章编号：1002-3550(2021 )01-0118-04
Rheological properties and printability of 3D printing mortar and their relationship
YANG Qianrong a , Z\AO Zongzhi R 7LIJing b ^XIAO Jianzhuang c ,LIU Qiaoling 11
(a.School of Materials Science and Engineering ； b. School of Mechanical Engineering ；
c.College of Civil Engineering , Tongji University , Shanghai 200092, China )
Abstract ： The printability of 3D printing mortar is affected by its rheological performance.Based on the 3D printing machine we made and the proposed test method for extrudability and printability of 3D printing mortar , the rheological properties , printability and setting time of 3D printing mortar were analyzed.The results show that 3D printing mortar with adequate printability must have suitable
rheological properties and proper setting time. E xtrudability is the premise of 3D printing process.With the increase of extrudability of 3D printing mortar7 the printing height tends to decrease.The rheological properties of 3D printing mortar are within a certain range of
parameters , the apparent viscosity is 4.0〜7.0 Pa*s,the yield stress is range from 50 to 80 Pa, and the thixotropy is mainly at 900〜2 000 Pa/s.
Key words: 3D printing mortar ； printability ； rheological properties ； setting time
0引言
3D 打印建筑技术是近年来兴起的一项新型智能化建 造技术，可根据设定的程序命令直接打印出实体
建筑物或
建筑构件，具有建造速度快、无需模板支撑、可个性化定 制、降低材料损耗和建造成本的特点，已展现出广阔的发
展前景
3D 打印建筑材料是实现3D 打印建造过程的核心技
术之一，与普通的水泥基材料不同,3D 打印建筑材料的流exco
动性，度， 低，具有 的
和
的早期强度眄以及与打印速度相匹配的硬
化速率， 出可 打印 不坍塌°T.T.Le #4&
出性能和可建造性能是3D 打印的 性能 ， 与打印材料的 性能以及
可
有打印材料 打印过程、 、 出、
成型 过程， 出 的打印
具有
的强度可支撑 打印，，打印材料的
性打印材料的可建造性能
#5叫
收稿日期：2019-10-30
-118 -
由于3D 打印建筑不需要模板支撑，因此传统的水泥基
材料不可直接 3D 打印建筑， 打印的变程度 的 ，打印材料 有 度，
具有可 性， 新 水泥基材料的 流 性
不 以 出 的具有 度的
水泥 或砂浆叫目前尚无公认的 3D 打印建筑材料 性能的 ，通过流 性 打印材
料的 度 以及 性 流 可
3D 打印水泥基材料的工作性能#8&,
gep，建立3D 打
印建筑材料的流性、性与可建造性能之间的相
系，可3D 打印建筑材料的制备以及打印材料性能的测
与 提供 论依据和技术 考，促进3D 打印建筑材
料、打印设备以及成型技术的研究与发展具有论价值和 实际
意义。
本研究在前期试验工作的基础之上#9切，主要研究了
3D 打印建筑 的出性、打印度与打印 的流变 性能以及 之间的关系，以期3D 打印建筑材料的研究和性能 以及打印技术的发展提供 考
1试验及试验方法
1.13D打印建筑砂浆试验
试验所用3D打印建筑砂浆是基于专利“一种3D打印水泥基材料及其制备方法以及前期的部分试验工作㈣，通过改变矿物掺合料、化学外加剂（减水剂、缓凝剂）、聚合物、纤维等组分的掺量，研究了不同配合比下3D打印建筑 砂浆的流变性能、挤出性能、打印高度以及凝结时间的变化规律，而本研究讨论的重是配合比试验结分研究3D打印建筑砂浆的打印性能流变性能之间的‘
1.2试验方法
1.2.1打印性能测试方法
3D打印建筑砂浆的打印性能以挤出性和堆积性能来表。挤出性的测试方法专利“3D打印建筑砂浆工作性能测试及用”[11]的方法前期试验工作的基了的测试前通水2~3min，水的打印砂浆3D打印（（1所的,，度80r/min，打印砂浆打印、挤出，用
表时90s，量过打印砂浆
18mm800mm）挤出的料的量m（g）,
1g，用以表打印砂浆的挤出性能。
图1试验用3D打印机
堆积性能是3D打印建筑砂浆建性的重通过打印高度表打印高度越高，堆积性能越。堆积性能的测试方法专利“一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试#12%的方法前期的试验工作基了一改打印通水
的打印料打印料
打印、挤出打印的测试堆积性能的。打印打印打印一时，打印打印高度#o mm，打印200mm$mm，打印终堆积的试件坍坍止，堆积性能测试的打印过程如图2所‘录终坍坍时试件的打印层数%，此基础上，重新开始打印，堆积%-2即‘
成%-2打印，还须判定打印构件的打印高度。打印高度的评价方法如下测量打印构件的最低高度$1高高度$2，取两者的算术值作实际打印高度$7，即$S=（$1+$2）/2；打印高度$7与理论打印高度$9对比，其理论打印高度的计算式如下:$l=$0+$（%-3）‘若|$l-$s|/$l的值小于或等于15%，则实际打印高度$7，否则该打印高度无，即打印高度0。试验重复打印 3次，以3次测试结的值作该砂浆的打印高度，精确至1mm。
图2堆积高度测试试验（单位:mm）
1.2.2流变性能和凝结时间测试方法
砂浆的流变数通RVDV-2数字式旋转黏度计测定，触变性的大小是以所测流变曲线曲线下曲线形成的触变环所围的面积（单位:Pa/s）来表‘
3D打印建筑砂浆凝结时间的测试方法根据JGJ/T70—2009（建筑砂浆基本性能试验方法标准》中的规定进行。
2试验结果与分析
3D打印建筑砂浆的流变性能与打印性能之间的
如3所，以看出，3D打印建筑砂浆具较的挤出性和打印高度所对应的表观黏度和屈服力集中在：表观黏度为4.0〜7.0Pa・s、屈服应力为50〜80Pa之间。显然,3D打印建筑砂浆的挤出性能和打印性能既受其黏度的影响，也受屈服应力的影响，是因3D打印的泵及阶段需克服打印料的屈服力，适宜的屈服力保打印材料能够利和挤出，也影响到的打印堆积#13%。屈服力大，力显
加，以挤出（如3A；屈服力过小，打印料易流，对堆积性能不利。打印料的黏度影响挤出的打印的性
和性，同时对打印间的黏结性能的也影响，若打印料黏度低，一方，时，打印料受挤而泌水，而导致堵，无法挤出；另一方，打印料黏度小，打印堆积时，抗下垂能力低，性变形大，不利于打印堆积（如3 B。此外，凝结时间对打印性能也影响，如3J C点所对的配合比虽挤出，于其凝结时间较，黏度和屈服力时间加较，挤出性能显低，无法形成堆积，堆积高度0。因此，黏度低或屈服力大不利于3D打印建筑砂浆的、挤出以及
打印堆积,3D打印建筑砂浆的屈服力和表观黏度
制合理的围。
-119
-
恤s-fc
3 3D 打印建筑砂浆流变性能与打印性能之间的关系
图3D 打印建筑砂浆的触变性能对其挤出性能以及打印 高度的影响如图4所示，从中可以看出，3D 打印建筑砂浆
的可挤出性与打印高度所对应的触变性能处在一定的范 围内，当打印砂浆具有较好的挤出性和打印高度所对应的砂 浆触变性主要分布在900〜2 000 Pa/s 之间，并且由图4(a ) 知，随着打印砂浆触变性能的增加，打印砂浆的挤出性能
有降低的趋势，而打印高度与触变性能之间并不存在明显 的对应关系。触变性能较大时，打印砂浆也可挤出，由于泵
送阻力增加，挤出性不大，并且对应的打印高度也较小(如
图4中D 点)。显而易见,3D 打印建筑砂浆的触变性能对打 印砂浆经打印喷挤出 打印 时，打印砂浆
的定性以及
续打印至关重要12，現
1200 r
o
O
o O O 83
、ffi s
«
3 0
9
0°
O -O O
200
1 000
2 000
3 000
触及变性/(Pa/s)
(a)
4 000
5 000
D
50
00
1 000
2 000
3 000
4 000
5 000触及变性/(Pa/s)
(b)
图4 3D 打印建筑砂浆触变性能与打印性能之间的关系
触变性过大，泵送阻力增加，砂浆难以挤出，打印性能也较 差；触变性 小，砂浆较 ，挤出性 增大，不 于
续
。
3D 打印建筑砂浆的可挤出性
打印性能的
，只有当3D 打印建筑砂浆可 续挤出时可一步
打印的过。挤出性能与打印高之间的关
系如图5所示，从中可以看出，可打印砂浆的挤出性能主
要分 在700〜1 000 g/90 s 之间，并且 出随着挤出性能的增加＜打印高 具有降低的趋势＜ 由于打印砂浆挤 出性能增加，
打印砂浆经泵送挤出时的
性变好，变，而打印时 砂浆的 能力也
随之下降，而其打印高
小。而，打印砂浆可挤出
一 可 打印 ，如图5中的C 点所示，这里是
由于 所对应的打印砂浆的 时间过(图6所
示)，打印 时，泵送阻力显增大，挤出条不 ，从而
有 。
300 r 日日、^^&
fc 5
图
250
200150100
50
0 200
400 600 800 1 000
挤出性/g
3D 打印建筑砂浆挤出性与打印高度之间的关系
图6 3D 打印建筑砂浆凝结时间与打印高度之间的关系
3D 打印建筑砂浆在
和泵送过中 要足够的可 时间以 打印 能 续的 与 送，而 从打印喷头挤出，打印 要打印 的
时间尽可能的 ，以 打印 的
续打印
网，
，对3D 打印建筑砂浆的 时间应
。图6显示了 3D 打印建筑砂浆的
时间与打印高
之间的关系，从中可以看出， 打印的砂浆的 时间
主要处在30〜80 min 。事实上，打印砂浆的凝结时间须与打
印过 应，打印砂浆 过 过 于打印过的
打印砂浆 ，砂浆的
应力与黏
度随时间增的 也，可 时间，过 时间 极限则难以挤出问，外，
硬化过的打印与
续打印之间易产生 薄弱环节，影响打印的层间衔
接性能；而 时间 ，打印 的强度增 较慢，可支
的竖向打印层数有限，过打印 塑性阶段的极限
-
120-
载力后，打印物体有坍坍的危险，不利于打印过程的持续、稳定进行。
综上所述，可用于3D打印的建筑砂浆应同时具有适宜的凝结时间，合适的表观黏度、屈服应力以及触变性，采用配制的3D打印建筑砂浆成功打印出的部分建筑构件如图7所示
图73D打印建筑构件
3结论
(1)挤出性能是3D打印建筑砂浆实现可打印性的前提，在本文条件下，适合3D打印的建筑砂浆流变性能参数范围为：表观黏度在4.0〜7.0Pa-s之间、屈服应力在50〜80Pa 之间，触变性在900-2000Pa-s之间。
(2)适宜打印的砂浆的凝结时间主要为30-80min，且可打印砂浆的挤出性能主要分布在700〜1000g/90s之间，现出挤出性能的，打印度有的：
(3)的是,3D打印建筑砂浆的打印性能还与打印设备、打印材料、打印参数(打印速度、提度)、泵设备及有关，本结可为3D打印材料体打印的提参与：于以
合物、、以及制备的3D打印建筑材料的打印性能与流变性能及性还有待进的研究。
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联系地址：广西南〒'大学东路41号嘉汇馨源北区13栋(530008)：130****3692
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